Диссертация (1105278), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Поскольку роль атомов (или ионов) при этом исполняют неоднородные включения, которые обычно имеют резонансный отклик, то испектры эффективных параметров будут иметь резонансный характер. Такимобразом, настраивая резонансные свойства отдельных частиц, можно получитькомпозит с желаемыми свойствами.Широкий интерес к метаматериалам возник на рубеже XX-XXI веков всвязи с проблемой получения сред с отрицательным показателем преломления,и построения на их основе суперлинзы [5]. Теоретическое описание и предсказание эффектов в средах с отрицательным показателем преломления было данов работе [3] ещё в 1967 году.
Было показано, что отрицательный показатель√ √преломления n = ε µ можно получить, если в среде одновременно отрицательны диэлектрическая ε, и магнитная µ проницаемости.14~ H~ и ~k электромагнитной волны, распространяющейся в таВекторы E,кой среде, образуют левую тройку векторов, поэтому такие среды ещё называют «левыми». При этом фазовая и групповая скорости волны становится противонаправленными, обращаются законы преломления, эффекты Доплера и Вавилова-Черенкова [27]. Интересным следствием инверсии преломленияявляется то, что плоскопараллельная пластинка с показателем преломленияn = −1 даёт идеальную фокусировку изображения объекта, что позволяетобойти дифракционный предел и реализовать эффект суперлинзирования. Однако, в 1960-у годы экспериментальная реализация «левой» среды представлялась невозможной, поскольку не было материалов способных обеспечить отрицательную магнитную проницаемость.В 1999 году в работе [4] впервые была продемонстрирована возможностьполучения такой среды.
Для этого была предложена периодическая структура,состоящая из субволновых металлических резонаторов. Резонаторы, названныекольцевыми (в иностранной литературе широко используется термин split-ringresonator, SRR), представляли собой вложенные друг в друга металлических полоски в форме буквы «С». Отрицательная эффективная магнитная проницаемость обеспечивается массивами таких резонаторов на высокочастотном склонеих резонансной кривой.В 2000 году на основе кольцевых резонаторов в комбинации с массивом металлических стерженьков, которые обеспечивали отрицательную эффективнуюдиэлектрическую проницаемость структуры, был впервые реализован метаматериал с отрицательным показателем преломления, работающий в микроволновом диапазоне излучения на частоте 5 ГГц (см.
рис. 1.1а) [6].Естественным направлением развития в области построения метаматериалов стало продвижение по спектру от микроволновых частот до волн оптического диапазона. Так в работе [28] продемонстрирована экспериментальная реализация левой среды, работающей на 100 ГГц. В [29] значения отрицательноймагнитной проницаемости были получены для частот в районе 1 ТГц. Рабочаячастота метаматериала 100 ТГц получена в [30]. Резонансная частота в 200 ТГцбыла достигнута в [31], а резонансы на 350 ТГц — в [8].
При это размеры частиц уменьшились примерно на 5 порядков: с 6,6 мм в [6], до 215 мкм в [28],затем до 32 мкм в [29], далее до 320 нм в [30], и, наконец, до 200 и 110 нм в [31]15Рис. 1.1: Фотографии экспериментальных метаматериалов для диапазонов СВЧ ( [6] (а), [28](б)), терагерцового ( [29] (в)) и оптического из работ ( [30] (г), [31] (д) и [8] (е))и [8] соответственно. На рис. 1.1 представлены фотографии экспериментальныхобразцов из указанных работ.Хорошо видно какую эволюцию претерпевает резонатор при перестройкерабочей частоты с микроволн на частоты ближнего инфракрасного диапазона.По мере уменьшения размеров был произведён переход от двух вложенныхрезонаторов к одному, форма резонатора от округлой перешла к П-образной.Кроме того, заметен рост неидентичности резонаторов между собой, что влияетна степень расхождения экспериментальных данных с результатами расчётов.Упрощение формы резонаторов связано прежде всего с особенностямитехнологий изготовления экспериментальных образцов.
В [6] резонаторы изготавливались с помощью промышленной технологии создания печатных плат.Для изготовления структур [28, 29] применялись методы, основанные на фотолитографии. Для более мелкомасштабных композитов [8, 31] использоваласьэлектронно-лучевая литография. Поскольку процесс изготовления композитных структур по таким технологиям достаточно сложен, дорог и разрешающейспособности не всегда достаточно для точного воспроизведения формы частиц,критически важно, чтобы форма резонаторов была как можно более простой.Поэтому для метаматериалов оптического диапазоне наиболее часто используются массивы из резонаторов прямоугольной П-образной геометрии.16Специфика технологий изготовления метаматериалов также привела к тому, что объектами экспериментальных исследований наиболее часто становятсядвумерные планарные структуры — метаплёнки (metafilms) или метаповерхности (metasurfaces).
Изготовление планарных структур, особенно микронныхразмеров, существенно легче и дешевле, чем изготовление объёмных образцов.Для получения получения последних приходится использовать послойную методику изготовления, как, например, это было проделано в [32,33]. Существуюти более изощренные методики. Например, представленная в [34], позволяющаяизготавливать метаматериалы, в которых плоские резонансные частицы располагаются на гранях углублений различной формы, будь то кубики, полусферыили пирамидки.
Также следует отметить метод теневой литографии [35], позволяющий получать большие планарные массивы периодически расположенныхC- и O-образных резонаторов, за время, значительное меньшее по сравнению сэлектронно-лучевой литографией, при сопоставимом качестве изготовления.1.2.Области применения метаматериаловОбласти применения метаматериалов и перспективы их использования об-суждались в монографиях [36–39]. Прежде всего это создание «левых» сред иматериалов с магнитными свойствами в оптическом диапазоне, которое было обсуждено выше.
Метаматериалы с такими свойствами необходимы для создания многообещающей «суперлинзы» [5], которая позволяет за счёт отрицательного показателя преломления обойти дифракционный предел и обеспечитьидеальную фокусировку изображений исследуемого объекта. Результаты исследований в области создания суперлинз можно найти, например, в [40–43], гдебыло достигнуто сверхразршение в ближнем поле.
В этой связи также стоитупомянуть гиперлинзу [44], состоящую из чередующихся концентрических слоёв серебра (Ag) и оксида алюминия (Al2 O3 ). О различии в механизмах работыразличных типов суперлинз можно прочесть в [45].Дополнительно следует упомянуть работы, направленные на создание средсо значениями диэлектрической и/или магнитной проницаемости близкими кнулю [46–48]. Подобные среды могут быть, в частности, использованы для подавления боковых лепестков и улучшения направленности антенн [49].17Ещё одной широко обсуждаемой и актуальной областью применения метаматериалов является создание маскирующих устройств и покрытий.
В основепервоначальной идеи маскировки лежит принцип модуляции диэлектрическойи магнитной проницаемостей неоднородной анизотропной среды, сквозь которую распространяется световой поток [50]. Таким образом, при распространении свет огибает скрываемый объект. Теория определения требуемого законамодуляции проницаемости носит название трансформационной оптики, и подробно рассмотрена в монографии [38].В [1] было продемонстрировано первое экспериментально реализованноена этих принципах маскирующее устройство, которое скрывало цилиндр сантиметровых размеров от падающего на него электромагнитного излучения счастотой 8,5 ГГц.
В [51] на основе тех же принципов было предложено устройство, работающее в инфракрасном диапазоне.Ряд работ был выполнен в рамках концепции маскировки объектов, находящихся на какой-то поверхности. Идея, предложенная в [52], состоит в нанесении слоя с промодулированным показателем преломления поверх скрываемогообъекта, находящегося на подложке. Свет, отражённый от такой структуры, неотличается от света, который был бы отражён от подложки без объекта. Рассмотренный тип маскирующего покрытия был реализован в работе [53] с помощью перфорации диэлектрика особым образом расположенными цилиндрическими отверстия. Недостатком рассмотренных концепций является то, чторазмеры маскирующего устройства сопоставимы или превосходят характерныеразмеры скрываемых объектов.Ещё один способ маскировки основан на взаимодействии плазмонов с падающей волной, которое приводит к подавлению рассеянных волн [2].
Способпозволяет обеспечить маскировку объекта со всех направлений, при этом толщина маскирующего слоя меньше размеров скрываемого объекта. К недостаткам можно отнести то, что характеристики самого объекта влияют на конфигурацию маскирующего устройства и должны учитываться. Возможность реализации многослойных устройств, основанных на этой методике, и оперирующихна нескольких частотах обсуждалась в [54]. Экспериментальная реализация и еёразвитие были продемонстрированы соответственно работах [55,56] на примерецилиндра сантиметровых размеров, при рабочих частотах порядка 3 ГГц.18Недостаток всех рассмотренных способов маскировки состоит в узкополосности устройств, что обусловлено самой резонансной природой метаматериалов. Кроме того, как показано в работе [57], если сечение рассеяния объектауменьшено в каком-то диапазоне длин волн, то суммарное сечение рассеяния повсему спектру неминуемо увеличивается по сравнению со случаем не скрытогообъекта.Основной проблемой в большинстве областей применения метаматериаловявляется большое поглощение электромагнитной энергии, которое обусловленоиспользованием металлических резонаторов.
Поглощение зачастую сводит нанет полезные эффекты, наблюдаемые в метаматериалах. Логичным путём компенсации потерь является введение сред с усилением. Соответствующее теоретические исследования и численные расчёты были проведены в работах [58,59].В [60] была продемонстрирована компенсация потерь с помощью помещения металлических частиц в диэлектрик с красителем Родамин 6Ж и использованияимпульсной накачки. В недавней работе [61] была экспериментально реализована среда с отрицательным показателем преломления и компенсацией потерь. Вдвухслойной структуре типа сети были удалены методом травления слои алюминия, разделяющие разные слои золотой сетки, а также часть подложки, изатем получившиеся пустоты были заполнены активным веществом на основе красителя Rh800. Для наблюдения инверсной населённости активная среда сначала накачивалась первым импульсом лазера, второй импульс уже былпробный и при выборе правильного интервала времени между ним и накачкой, метаматериал демонстрировал полное отсутствие потерь в совокупности сотрицательным показателем преломления n0 = −1,6 на длине волны 740 нм.Однако, большое поглощение из недостатка может превратиться в преимущество, если использовать метаматериалы для создания различных поглощающих устройств и фильтров, что особенно актуально для активно исследуемого впоследнее время терагерцового диапазона [62–64].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
